Что нужно для того, чтобы стать профессиональным разработчиком программ для микроконтроллеров и выйти на такой уровень мастерства, который позволит с лёгкостью найти и устроиться на работу с высокой зарплатой (средняя зарплата программиста микроконтроллеров по России на начало 2017 года составляет 80 000 рублей). ...

О том, как подать дискретный сигнал на вход микроконтроллера, я рассказывал . Такой подход вполне работоспособен и будет прекрасно выполнять свою миссию, если в качестве источника сигнала будет, например, транзистор или другого микроконтроллера.

Однако, если вы таким образом подключите к входу микроконтроллера кнопку или контакт реле, то здесь вас могут поджидать неожиданные эффекты в виде сбоев работы устройства и разных глюков. А вызваны эти эффекты будут таким явлением, как дребезг контактов .

В этой статье я расскажу о том, как устранить дребезг контактов, подключаемых к микроконтроллера. Но сначала (для тех, кто слышит это словосочетание впервые), расскажу непосредственно о том, что же такое этот самый дребезг контактов.


Дребезг контактов возникает во время замыкания или размыкания контактов. Посмотрите на рисунок:

Изначально контакт разомкнут.

Когда мы начинаем замыкать контакт (нажимаем на кнопку), то замыкание происходит не сразу.

Это нам кажется, что мы нажали на кнопку мгновенно. Однако на самом деле, если растянуть время достаточно сильно, по получится, что мы нажимаем кнопку постепенно. На механическом контакте надо обеспечить достаточное усилие, чтобы он окончательно замкнулся, а контакты, как правило, пружинят, и поэтому какое-то время контакт находится в переходном процессе. То есть быстро-быстро замыкается-размыкается.

Если мы включаем этой кнопкой лампочку, то мы не заметим этот переходный процесс. Нам будет казаться, что лампочка сразу включилась после нажатия кнопки.

Однако быстродействие микроконтроллера таково, что он заметит все (или почти все) замыкания-размыкания переходного процесса. Это будет означать, что программа микроконтроллера столько раз отреагирует на сигнал от кнопки, сколько раз будет изменяться сигнал во время переходного процесса.

А мы то ожидаем, что одно нажатие кнопки - это одно переключение входа микроконтроллера. Но на самом деле это не так. Потому что дребезг контактов вносит свою лепту в усложнение жизни инженеров.

Представьте, что наши кнопки - это клавиатура телефона. Мы нажимаем цифру 8, подразумевая, что эта цифра будет набрана телефоном один раз. Но телефон вместо этого набирает 5 или 10 восьмёрок, потому что разработчики телефона не удосужились предусмотреть защиту от дребезга контактов. Станете вы пользоваться таким телефоном?

Ну и напоследок надо сказать, что время дребезга контактов зависит от качества контактов, и обычно составляет от 10 до 100 мс.

Устранение дребезга контактов

Думаю, уже не надо объяснять, что в случае, если к входам вашего микроконтроллера подключены механические контакты, то ваше устройство должно как-то бороться с дребезгом контактов.

Есть два способа борьбы с дребезгом контактов:

  1. Аппаратный
  2. Программный

Аппаратное подавление дребезга контактов

Аппаратное подавление дребезга - это схемные решения, которые позволяют устранить этот неприятный эффект. Чаще всего это простая RC-цепь, или вообще только один конденсатор.

Принцип работы такой схемы простой: конденсатору требуется какое-то время для зарядки (или разрядки). А пока он полностью не зарядится, на вход микроконтроллера не поступит нужный сигнал. Этого времени хватает на то, чтобы переходный процесс успел завершиться. Таким образом и выполняется подавление дребезга.

Простая схема устранения дребезга контактов приведена на рисунке:

Номиналы элементов приблизительные. По идее надо их рассчитывать для каждого отдельного случая. Но в большинстве случаев они вполне подойдут.

Есть и более сложные схемы подавления дребезга контактов, которые не требуют расчёта, потому что выполняются на цифровых элементах. Например, схема на RS-триггере. Но в устройствах на микроконтроллерах использовать подобные ухищрения нет смысла.

Программное подавление дребезга контактов

Если уж мы используем микроконтроллер, то в подавляющем большинстве случаев нет смысла усложнять схему устройства и встраивать в неё элементы устранения дребезга. Потому что проще и дешевле организовать программное подавление дребезга.

Использовать аппаратное подавление дребезга в устройствах на микроконтроллерах имеет смысл только в очень редких случаях. Например, если микроконтроллер маломощный и даже малейшее расходование его ресурсов не на основную задачу нежелательно.

Самое простое и самое распространённое программное решение для борьбы с дребезгом - это временная задержка. Алгоритм простой:

  1. При изменении уровня сигнала на входе на противоположный включаем таймер (например, на 100 миллисекунд).
  2. После истечения задержки проверяем сигнал. Если он остался изменённым, то считаем, что кнопка нажата (или отпущена - в зависимости от того, какое изменение сигнала обнаружено). Если же он вернулся в исходное состояние, то считаем это помехой и не реагируем на сигнал.

Бывают особые случаи, когда быстрое переключение контактов - это обычное состояние системы. Ну например, если есть какой-то датчик, который по логике работы не может принимать фиксированное значение на длительное время. То есть идёт как бы непрерывный дребезг контактов. И в этом бесконечном потоке нам надо как-то определить, какой же всё-таки сигнал на входе.

В этом случае можно применить следующий алгоритм:

  1. Посчитать количество и/или продолжительность замкнутого и разомкнутого состояния контакта в единицу времени (например, в секунду).
  2. По наибольшему количеству (или времени) определить конечное состояние сигнала.

Например, если за секунду на входе у нас 50 раз была логическая 1, и 20 раз - логический 0, то можно считать, что на входе единица. Разумеется, здесь нужен индивидуальный подход в зависимости от задачи.

Примеры исходных кодов приводить здесь не буду, потому как статья эта не о программировании. Если кому интересно, то способы подключения разных устройств к микроконтроллеру можно найти .


Первым примером в изучении микроконтроллеров является подключение и управление светодиодом, это самый простой и наглядный пример. Этот пример стал классическим при изучении микроконтроллеров, как программа "Hello World!" при изучении прочих языков программирования.

Светодиоды могут использоваться для индикации в различных электронных устройствах. Отображать режимы работы устройства, выводить сообщения об ошибках, информацию о наличии или отсутствии управляющего сигнала и т.д.

Из документации на микроконтроллер мы знаем, что у микроконтроллеров AVR максимальный ток, который способна пропустить каждая линия порта ввода/вывода составляет 40 mA. Превышение этого значения выведет из строя вывода порта. Поэтому ток, протекающий через вывод микроконтроллера не должен превышать 30 mA , самым оптимальным будет ток 20 mA.

Подключить светодиод к микроконтроллеру можно двумя способами

1. Подключение маломощного светодиода

Если ток потребления светодиода в рабочем режиме не превышает 30 мА, а номинальное напряжение не превышает напряжения питания микроконтроллера, то мы можем подключать его к линии порта ввода/вывода.

Что бы ограничить ток, протекающий через ножку микроконтроллера нужно рассчитать номинал резистора R1 .

Сопротивление рассчитывается по формуле:

R = (Vs - Vd) / I

где Vs - напряжение источника питания, Vd - прямое напряжение светодиода, а I

R = (5 V - 2.5 V) / 0.020 A = 150 Om

Таким образом, мы нашли R1 = 150 Om и дальше подбирается ближайшее большее значение сопротивления.

Если не известно прямое напряжение светодиода, сопротивление можно рассчитать по закону Ома.

R = U / I

где U - напряжение источника питания, а I - номинальный ток светодиода.

R = 5 V / 0.020 A = 250 Om

Определив номинал резистора R1 , необходимо рассчитать мощность P , измеряемая в ваттах, которая будет выделяться в резисторе, в виде тепла при протекании тока в цепи.

P = I * U

где U - напряжение, приложенное к участку цепи, а I - номинальный ток светодиода

P = 0.020 A * 5 V = 0.1 W

Рассчитав выделяемую мощность на резисторе, выбираем ближайшее большее значение мощности резистора. Если рассеиваемой мощности резистора будет недостаточной, то он может выйти из строя.

Если светодиод используется для индикации потребляемый ток можно ограничить до 10 mA. Очень заметных изменений в свечении светодиода мы не заметим, а время работы источника питания увеличим, если это батарейки или аккумулятор.

2. Подключение мощного светодиода

Если значение номинального тока светодиода превышает предельное значению тока линии вывода, либо напряжение питания светодиода больше чем значение питания микроконтроллера, тогда для подключения светодиода необходимо использовать буферный элемент - транзистор в режиме ключа.

Таким образом, мы ушли от токовых ограничений вывода линии порта микроконтроллера. Резистор на базе - ограничительный. Может варьироваться в широких пределах 1-10 kOm, в любом случае транзистор будет работать в режиме насыщения. Использовать можно любой N-P-N транзистор. Коэффициент усиления, практически не имеет значения. Выбирается транзистор по току коллектора (нужный нам ток) и напряжению коллектор - эмиттер (напряжение которым запитывается нагрузка). Необходимо учитывать, что значение максимально допустимого тока коллектора транзистора должно быть больше чем значение номинального тока светодиода, а так же не забывать про рассеиваемую мощность транзистора.

Определившись со схемой подключения светодиода к микроконтроллеру ATmega8 нам нужно на чем-то эту схему собрать.

1. Собрать нашу схему в симуляторе Proteus. Этот способ хорош тем, что можно быстро собрать схему, не нужно тратить деньги на приобретение радиокомпонентов.

2. Собрать схему на макетной плате и прошить микроконтроллер программатором. Придется потратить деньги, но мы получим опыт подкрепленный практикой.

Собрав схему можно преступить к написанию программы в
Исходный код:

#include //Включаем библиотеку для работы с микроконтроллером ATMega8 #include //Включаем библиотеку для организации задержек #define led 10 //Создаем идентификатор led void main(void) { PORTC=0x00; //Выставляем все выходы порта C на 0, то есть, выключаем весь порт C DDRC=0xFF; //Делаем порт C, как выход, чтобы на выходах порта было напряжение 5В while (1) //Организовываем бесконечный цикл { PORTC.5=1; //Включаем светодиод на 5-м выходе порта C delay_ms(led); //Делаем задержку, в миллисекундах PORTC.5=0; //Выключаем светодиод на 5-м выходе порта C delay_ms(led); //Делаем задержку, в миллисекундах } }

Описание программы:

Директивой #include подключаем внешние файлы. Заголовочный файл используемого микроконтроллера mega8.h и функцию задержки delay.h . Перед компиляцией CodeWisioneAVR вставит вместо строки

#include

#include

Директивой

#define led 10

определяем идентификатор led . Перед компиляцией CodeWisioneAVR в тексте программы заменит led на значение 30 .

Объявляем основную функцию программы main строчкой

Void main(void)

Эта функция должна присутствовать в каждой программе и только одна. Она нечего не передает и не возвращает. В каком бы месте эта функция не находилась программа начнет выполняться именно с нее.

В выходной регистр порта C записываем ноли,

PORTC=0x00;

соответственно на всех ножках порта C будет напряжение 0 В.

В регистр направления данных порта C записываем единицы,

DDRC=0xFF;

порт будет работать как выход.

Организовываем бесконечный цикл оператором while . Оно будет выполняться до тех пор, пока значение в скобках истинно, т.е. не равно нулю.

В теле цикла записываем команды, которые будут устанавливать интервалы включения и выключения светодиода.

Нам нужно переключить только одну ножку порта C , для этого мы воспользовались побитным доступом к портам ввода/вывода микроконтроллера. Указав в регистр порта С бит в который мы запишем значение

PORTC.5 = 1; //(5 В)

PORTC.5 = 0; //(0 В)

мы включаем или отключаем наш светодиод.

Для организации интервалов между включением и выключением светодиодов мы используем функцию задержки,

Delay_ms(led)

которую подключили в начале программы файлом delay.h . Задержка генерируется в миллисекундах. Все идентификаторы led в программе будут заменены при компиляции на указанное значение 30 , т.е. задержки между интервалами включения и выключения будут по 30 миллисекунд.

Подключение кнопки к линии порта ввода/вывода

Изучив данный материал, в котором все очень детально и подробно описано с большим количеством примеров, вы сможете легко овладеть и программировать порты ввода/вывода микроконтроллеров AVR.

  • Часть 2. Подключение светодиода к линии порта ввода/вывода
  • Часть 3. Подключение транзистора к линии порта ввода/вывода
Пример будем рассматривать на микроконтроллере ATMega8 .

Программу писать будем в Atmel Studio 6.0 .

Эмулировать схему будем в Proteus 7 Professional .

Самой распространенной задачей при создании проектов для микроконтроллеров является подключение кнопок. Несмотря на простоту, эта задача имеет существенные, возможно и неочевидные особенности.
Если подключить один из контактов кнопки, например, к общему проводу («земле»), а второй к выбранной линии порта ввода/вывода микроконтроллера, который переключен в режим «Вход», то выяснится, что такой метод не работает. При нажатии кнопки линия порта микроконтроллера соединяется с землей, и программа будет считывать лог.«0» с этой линии порта ввода/вывода, но при отпущенной кнопке вывод микроконтроллера не будет соединен ни с чем, что часто и называют «висит в воздухе». В таком случае программа будет считать с вывода и лог.«0» и лог.«1» случайным образом, так как на не к чему не присоединённую линию порта ввода/вывода будут наводится наводки.
Правильное подключение предполагает, что в разомкнутом состоянии вывод микроконтроллера должен быть соединен через резистор, например с шиной питания, а в замкнутом - с землей, либо наоборот. Сопротивление резистора не должно быть слишком маленьким, чтобы ток, текущий через него при замкнутых контактах кнопки не был слишком большим. Обычно используют значения порядка 10-100 кОм.

Рис: Подключения кнопки с подтянутой шиной питания.

- при отжатой кнопке равно лог.«1»;
- при нажатой кнопке равно лог.«0»;

Рис: Подключения кнопки с подтянутой землей.
При таком подключении состояние линии порта ввода вывода будет:
- при отжатой кнопке равно лог.«0»;
- при нажатой кнопке равно лог.«1»;

- подключения к линии порта ввода/вывода кнопки с подтянутой шиной питания:

#include // Основная программа int main(void) { // Настраиваем порты ввода/вывода DDRB = 0b11111111; //Настраиваем все разряды порта B на режим "Выход" PORTB = 0b00000000; //Устанавливаем все разряды порта B в лог.«0» (На выходе порта напряжение равное GND) DDRD = 0b00000000; //Настраиваем все разряды порта D на режим "Вход" PORTD = 0b11111111; //Устанавливаем все разряды порта D в лог.«1» (На выходе порта напряжение равное Vcc) // Вечный цикл while (1) { //Проверяем: если состояние PD0 лог.«0» то кнопка нажата if ((PIND&(1 << PD0)) == 0) { //Состояние PB0 устанавливаем в лог.«1» PORTB |= (1 << PB0); } else { //Состояние PB0 устанавливаем в лог.«0» PORTB &= ~(1 << PB0); } } }

- подключения к линии порта ввода/вывода кнопки с подтянутой землей:

// Подключаем внешние библиотеки #include #include // Основная программа int main(void) { // Настраиваем порты ввода/вывода DDRB = 0b11111111; //Настраиваем все разряды порта B на режим "Выход" PORTB = 0b00000000; //Устанавливаем все разряды порта B в лог.«0» (На выходе порта напряжение равное GND) DDRD = 0b00000000; //Настраиваем все разряды порта D на режим "Вход" PORTD = 0b11111111; //Устанавливаем все разряды порта D в лог.«1» (На выходе порта напряжение равное Vcc) // Вечный цикл while (1) { //Проверяем: если состояние PD0 лог.«1» то кнопка нажата if ((PIND&(1 << PD0)) == 1) { //Состояние PB0 устанавливаем в лог.«1» PORTB |= (1 << PB0); } else { //Состояние PB0 устанавливаем в лог.«0» PORTB &= ~(1 << PB0); } } }

Подключение микроконтроллера

Питание
Для работы микроконтроллеру нужна энергия - электричество. Для этого на него естественно нужно завести питалово. Напряжение питание у МК Atmel AVR разнится от 1.8 до 5 вольт, в зависимости от серии и модели. Все AVR могут работать от 5 вольт (если есть чисто низковольтные серии, то просьба уточнить в комментах, т.к. я таких не встречал). Так что будем считать что напряжение питания контроллера у нас всегда 5 вольт или около того. Плюс напряжения питания обычно обозначается как Vcc . Нулевой вывод (а также Земля, Корпус, да как только его не называют) обозначают GND . Если взять за пример комповый блок питания. То черный провод это GND (кстати, земляной провод традиционно окрашивают в черный цвет), а красный это +5, будет нашим Vcc . Если ты собираешься запитать микроконтроллер от батареек, то минус батареек примем за GND , а плюс за Vcc (главное чтобы напряжение питания с батарей было в заданных пределах для данного МК, позырь в даташите. Параметр обычно написан на первой странице в общем описании фич:

Operating Voltages
–1.8 - 5.5V (ATtiny2313V)
–2.7 - 5.5V (ATtiny2313)
Speed Grades
–ATtiny2313V: 0 - 4 MHz @ 1.8 - 5.5V, 0 - 10 MHz @ 2.7 - 5.5V
–ATtiny2313: 0 - 10 MHz @ 2.7 - 5.5V, 0 - 20 MHz @ 4.5 - 5.5V

Обрати внимание, что есть особые низковольтные серии (например 2313V низковльтная) у которых нижня граница напряжения питания сильно меньше. Также стоит обратить внимание на следующий пункт, про частоты. Тут показана зависимость максимальной частоты от напряжения питания. Видно, что на низком напряжении предельные частоты ниже. А низковольтные серии раза в два медленней своих высоковольтных коллег. Впрочем, разгону все процессоры покорны;)))))

Для работы контроллерам серии AVR достаточно только питания. На все входы Vcc надо подать наши 5 (или сколько там у тебя) вольт, а все входы GND надо посадить на землю. У микроконтроллера может быть много входов Vcc и много входов GND (особенно если он в квадратном TQFP корпусе. У которого питалово со всех сторон торчит). Много выводов сделано не для удобства монтажа, а с целью равномерной запитки кристалла со всех сторон, чтобы внутренние цепи питания не перегружались. А то представь, что подключил ты питалово только с одной стороны, а с другой стороны чипа навесил на каждую линию порта по светодиоду, да разом их зажег. Внутренняя тонкопленочная шина питания, офигев от такой токовой нагрузки, испарилась и проц взял ВНЕЗАПНО и без видимых, казалось бы, причин отбросил копыта. Так чтоПОДКЛЮЧАТЬ НАДО ВСЕ ВЫВОДЫ Vcc и GND . Соединить их соответственно и запитать.

Отдельные вопросы вызвают AGND и AVCC - это аналоговая земля и питание для Аналого-Цифрового Преобразователя. АЦП это очень точный измеритель напряжения, поэтому его желательно запитать через дополнительные фильтры, чтобы помехи, которые не редки в обычной питающей цепи, не влияли на качество измерения. С этой целью в точных схемах проводят разделение земли на цифровую и аналоговую (они соединены должны быть только в одной точке), а на AVCC подается напряжение через фильтрующий дроссель. Если ты не планируешь использовать АЦП или не собираешься делать точные измерения, то вполне допустимо на AVCC подать те же 5 вольт, что и на Vcc , а AGND посадить на ту же землю что и все.Но подключать их надо обязательно!!! ЕМНИП от AVCC питается также порт А.

Warning!!!
В чипе Mega8 похоже есть ошибка на уровне топологии чипа - Vcc и AVcc связаны между собой внутри кристалла. Между ними сопротивление около (!!!) 5Ом Для сравнения, в ATmega16 и ATmega168 между Vcc и AVcc сопротивление в десятки МЕГА ом! В даташите на этот счет никаких указаний нет до сих пор, но в одном из топиков за 2004 год на AVRFreaks сказано, что люди бодались с цифровым шумом АЦП, потом написали в поддержку Atmel мол WTF??? А те, дескать, да в чипе есть бага и Vcc и AVcc соединены внутри кристалла. В свете этой инфы, думаю что ставить дроссель на AVcc для Mega8 практически бесполезно. Но AVcc запитывать надо в любом случае - кто знает насколько мощная эта внутренняя связь?

Простейшая схема подключения Микроконтроллера AVR приведена ниже:

Как видишь, добавился дроссель в цепь питания AVCC , а также конденсаторы. Хорошим тоном является ставить керамический конденсатор на сотню нанофарад между Vcc и GND у каждой микросхемы (а если у микрухи много вход питания и земель, то между каждым питанием и каждой землей) как можно ближе к выводам питания - он сгладит краткие импульсные помехи в шине питания вызыванные работой цифровых схем. Конденсатор на 47мКФ в цепи питания сгладит более глубокие броски напряжения. Кондесатор междуAVcc и GND дополнительно успокоит питание на АЦП .

Вход AREF это вход опорного напряжения АЦП . Туда вообще можно подать напряжение относительно которого будет считать АЦП , но обычно используется либо внутренний источник опорного напряжения на 2.56 вольта, либо напряжение на AVCC , поэтому на AREF рекомендуется вешать конденсатор, что немного улучшит качество опорного напряжения АЦП (а от качества опоры зависит адекватность показаний на выходе АЦП ).

Схема сброса
Резистор на RESET . Вообще в AVR есть своя внутренняя схема сброса, а сигнал RESET изнутри уже подтянут резистором в 100кОм к Vcc . НО! Подтяжка это настолько дохлая, что микроконтроллер ловит сброс от каждого чиха. Например, от касания пальцем ножки RST , а то и просто от задевания пальцем за плату. Поэтому крайне рекомендуется RST подтянуть до питания резистором в 10к. Меньше не стоит, т.к. тогда есть вероятность, что внутрисхемный программатор не сможет эту подтяжку пересилить и прошить МК внутри схемы не удасться. 10к в самый раз.

Есть еще вот такая схема сброса:

Она замечательна чем - при включении схемы конденсатор разряжен и напряжение на RST близко к нулю - микроконтроллер не стартует, т.к. ему непрерывный сброс. Но со временем, через резистор, конденсатор зарядится и напряжение на RST достигнет лог1 - МК запустится. Ну, а кнопка позволяет принудительно сделать сброс если надо.
Задержка будет примерно T=R*C для данного примера - около секунды. Зачем эта задержка? Да хотя бы для того, чтобы МК не стартовал раньше чем все девайсы платы запитаются и выйдут на установившийся режим. В старых МК (АТ89С51 , например) без такой цепочки, обеспечивающей начальный сброс, МК мог вообще не стартануть.
В принципе, в AVR задержку старта, если нужно, можно сделать программно - потупить с пол секунды прежде чем приступать к активным действиям. Так что кондер можно выкинуть нафиг. А кнопку… как хочешь. Нужен тебе внешний RESET ? Тогда оставь. Я обычно оставляю.

Источник тактового сигнала
Тактовый генератор это сердце микроконтроллера. По каждому импульсу происходит какая нибудь операция внутри контроллера - гоняют данные по регистрам и шинам, переключаются выводы портов, щелкают таймеры. Чем быстрей тактовая частота тем шустрей МК выполняет свои действия и больше жрет энергии (на переключения логических вентилей нужна энергия, чем чаще они переключаются тем больше энергии надо).

Импульсы задаются тактовым генератором встроенным в микроконтроллер. Впрочем может быть и внешний генератор, все очень гибко конфигурируется! Скорость с которой тикает внутренний генератор зависит от настроек микроконтроллера и обвязки.

Генератор может быть:

  • Внутренним с внутренней задающей RC цепочкой.
    В таком случае никакой обвязки не требуется вообще! А выводы XTAL1 и XTAL2 можно не подключать вовсе, либо использовать их как обычные порты ввода вывода (если МК это позволяет). Обычно можно выбрать одно из 4х значений внутренней частоты. Этот режим установлен по дефолту .
  • Внутренним с внешней задающей RC цепочкой.
    Тут потребуется подключить снаружи микроконтроллера конденсатор и резистор. Позволяет менять на ходу тактовую частоту, просто подстраивая значение резистора.
  • Внутренним с внешним задающим кварцем.
    Снаружи ставится кварцевый резонатор и пара конденсаторов. Если кварц взят низкочастотный (до 1МГц) то конденсаторы не ставят.
  • Внешним.
    С какого либо другого устройства идет прямоугольный сигнал на вход МК, который и задает такты. Полезен этот режим, например, если надо чтобы у нас несколько микроконтроллеров работали в жестком синхронизме от одного генератора.

У разных схем есть разные достоинства:
В случае внутренней RC цепи мы экономим место на плате, нам не нужно дополнительных деталек, но мы не можем развить максимальную частоту и частота немного зависит от температуры, может плавать.
У внешнего кварца отличные показатели точности, но он стоит лишних 15 рублей и требует дополнительных деталей и, что самое обидное, часто съедает пару ног I/O. Также на внешнем же кварце можно добиться максимальной производительности от МК. Частота МК определяется частотой на которую заточен выбранный кварц. Внешная RC цепь позволяет тикать генератору МК быстрей чем от внутренней, стоит дешевле кварца, но имеет те же проблемы со стабильностью частоты, что и внутренняя RC цепь.

Способы тактования МК описаны в даташите в разделе System Clock and Clock Options и всецело определяются конфигурацией Fuse Bit’s . Пока же я настоятельно рекомендую НЕ ТРОГАТЬ FUSE пока ты не будешь твердо знать что ты делаешь и зачем. Т.к. выставив что нибудь не то, можно очень быстро превратить МК в кусок бесполезного кремния, вернуть к жизни который будет уже очень непросто (но возможно!)

Подключение к микроконтроллеру светодиода и кнопки
Сам по себе, без взаимодействия с внешним миром, микроконтроллер не интересен - кому интересно что он там внутри себя тикает? А вот если можно как то это отобразить или на это повлиять…

Итак, кнопка и светодиод подключаются следующим образом:

Для кнопки надо выбраную ножку I/O подключить через кнопку на землю. Сам же вывод надо сконфигурировать как вход с подтяжкой (DDRxy=0 PORTxy=1). Тогда, когда кнопка не нажата, через подтягивающий резистор, на входе будет высокий уровень напряжения, а из бит PINху будет при чтении отдавать 1. Если кнопку нажать, то вход будет положен на землю, а напряжение на нем упадет до нуля, а значит из PINxy будет читаться 0. По нулям в битах регистра PINх мы узнаем что кнопки нажаты.
Пунктиром показан дополнительный подтягивающий резистор. Несмотря на то, что внутри AVR на порт можно подключить подтяжку, она слабоватая - 100кОм. А значит ее легко придавить к земле помехой или наводкой, что вызовет ложное срабатывание. А еще эти внутренние подтягивающие резисторы очень любят гореть от наводок. У меня уже с десяток микроконтроллеров с убитыми PullUp резисторами. Все работает, но только нет подтяжки - сгорела. Вешаешь снаружи резистор и работает как ни в чем ни бывало. Поэтому, для ответственных схем я настоятельно рекомендую добавить внешнюю подтяжку на 10кОм - даже если внутреннюю накроет, внешняя послужит. В процессе обучения на это можно забить.

Светодиод подключается на порт двумя способами. По схеме Порт-земля или Порт-Питание . В первом случае для зажигания диода надо выдать в порт лог1 - высокий уровень (примерно равен Vcc). Во втором случае для зажжения диода требуется выдать в порт лог0 - низкий уровень (около нуля). Для AVR разницы вроде бы нет, а вот многие старые серии микроконтроллеров вниз тянули куда лучше чем вверх, так что схема Порт-Питание распространена чаще. Я применяю и ту и другую схему исходя из удобства разводки печатной платы. Ну, а на программном уровне разницы особой нет.
Вывод порта для работы со светодиодом надо сконфигурировать на выход (DDRxy=1) и тогда в зависимости от значения в PORTxy на ножке будет либо высокий либо низкий уровень напряжения.

Светодиод надо подключать через резистор . Дело в том, что прямое сопротивление светодиода очень мало. И если не ограничивать ток через него, то он просто напросто может сгореть нафиг. Либо, что вероятней, пожечь вывод микроконтроллера, который, к слову, может тянуть что то около 20-30мА. А для нормального свечения обычному светодиоду (всякие термоядерные ультраяркие прожектора мы не рассматриваем сейчас, эти монстры могут и ампер сожрать) надо около 3…15мА.

Так что, на вскидку, считаем:

  • Напряжение на выходе ноги МК около 5 вольт, падение напряжени на светодиоде обычно около 2.5 вольт (выше нельзя, иначе диод сожрет тока больше чем надо и подавится, испустив красивый дым)
  • Таким образом, напряжение которое должен взять на себя ограничительный резистор будет 5-2.5 = 2.5В.
  • Ток нам нужен 5мА - нефига светодиод зря кормить, нам индикация нужна, а не освещение:)
  • R=U/I= 2.5/5E-3 = 500Ом. Ближайший по ряду это 510 Ом. Вот его и возьмем. В принципе, можно ставить от 220 Ом до 680 Ом что под руку попадется - гореть будет нормально.

Если надо подключить много светодиодов, то на каждый мы вешаем по собственному резистору. Конечно, можно пожадничать и поставить на всех один резистор. Но тут будет западло - резистор то один, а диодов много! Соответственно чем больше диодов мы запалим тем меньше тока получит каждый - ток от одного резистора разделится между четырьмя. А поставить резистор поменьше нельзя - т.к. при зажигании одного диода он получит порцию тока на четверых и склеит ласты (либо пожгет порт).

Немного схемотехнических извратов или пара слов о экономии выводов

То что не удается запаять приходится программировать. (С) народная мудрость.

Очень часто бывает так, что вроде бы и памяти контроллера под задачу хватает с лихвой, и быстродействия через край, а ножек не хватает. Вот и приходится ставить избыточный и более дорогой микроконтроллер только потому, что у него банально больше выводов. Покажу парочку примеров как можно за счет усложнения программного кода сэкономить на железе.

Во главу угла такой экономии обычно ставится принцип динамического разделения назначения выводов во времени. То есть, например, вывод может работать на какую-либо шину, а когда шина не активна, то через этот же вывод можно проверить состояние кнопки, или что нибудь передать по другой шине. Быстро (десятки или даже тысячи раз в секунду) переключаясь между двумя разными назначениями можно добиться эффекта “одновременной работы”.

Главное, тут следовать двум правилам:

  • Два разных применения не должны мешать друг другу т.е. разделение во времени должно быть построено таким образом, чтобы смежная функция не искажала результат работы проверяемой функции.
  • Ни в коем случае нельзя допускать конфликта уровней напряжений.

Приведу пример:

  • У есть у нас вывод на который повешан выход с некого датчика и кнопка. Выход с датчика может быть 0, 1 в активном режиме и Hi-Z когда на датчик не приходит сигнал Enable.
  • Кнопка же дает на линию жесткий 0, путем короткого замыкания.

Как это должно работать:
Скажем, основную часть времени у нас ввод микроконтроллера настроен на вход Hi-Z и мы снимаем показания с датчика на который подан еще и сигнал Enable. Когда нам надо опросить кнопку, то мы отбираем у датчика Enable и его выходы становятся в режим Hi-Z и нам не мешают. Вывод микроконтроллера мы переводим в режим Pull-Up и проверяем нет ли на входе нуля - сигнал нажатой кнопки. Проверили? Переводим вход МК в Hi-Z вход и подаем Enable на датчик снова. И так много раз в секунду.

Тут у нас возникает два противоречия:

  • Логическое противоречие
    0 на линии может быть в двух случаях от датчика или от кнопки. Но в этом случае, пользуясь здравым смыслом и требуемым функционалом, мы логическое противоречие можем не брать во внимание.
    Просто будем знать, что нажатие кнопки искажает показания датчика, а значит когда датчик работает - мы кнопку жать не будем. А чтобы показания датчика не принять за нажатие кнопки мы, в тот момент когда ждем данные с датчика, просто не опрашиваем кнопку. От тупых действий, конечно, это не защитит. Но для упрощения примера защиту от дурака я сейчас во внимания не беру.
  • Электрическое противоречие
    Если датчик выставит 1, а мы нажмем кнопку, то очевидно, что GND с Vcc в одном проводе не уживутся и кто нибудь умрет. В данном случае умрет выход датчика, как более слабый - куда там хилому транзистору тягаться с медной кнопкой.
    Организационными методами такое противоречие не решить - на глаз нельзя определить напряжение на линии и решить можно жать кнопку или нет. Да и в каком месте сейчас программа можно тоже только догадываться. Поэтому решать будем схемотехнически.
    Добавим резистор в цепь кнопки, резистор небольшой, рассчитывается исходя из максимального тока самого слабого вывода линии.
    Если у нас, например, вывод датчика может дать не более 10мА, то резистор нужен такой, чтобы ток через него от Vcc до GND не превышал этой величины. При питании 5 вольт это будет 510Ом. Теперь, даже если на линии со стороны датчика будет лог1, высокий уровень, то нажатие на кнопку не вызовет даже искажения логического уровня т.к. резистор рассчитан с учетом максимальной нагрузки порта

Пример получился немного сумбурный, но суть думаю понятна. Я хочу чтобы ты увидел и понял не только как делается, но и зачем это делается:)

Ну и несколько примеров нескольких функций на одной ноге:
Во-первых, ISP разьем . Я уже давным давно забыл что такое тыкать микроконтроллер вначале в колодку программатора, потом в плату, потом обратно и так по многу раз, пока прогу не отладишь. У меня на плате торчат 6 выводов ISP разьема и при отладке программатор вечно воткнут в плату, а программу я перешиваю порой по нескольку раз в 10 минут. Прошил - проверил. Не работает? Подправил, перепрошил еще раз… И так до тех пор пока не заработает. Ресурс у МК на перепрошивку исчисляется тысячами раз. Но ISP разьем сжирает выводы. Целых 3 штуки - MOSI, MISO, SCK.
В принципе, на эти выводы можно еще повесить и кнопки. В таком случае никто никому мешать не будет, главное во время прошивки не жать на эти кнопки. Также можно повесить и светодиоды (правда в этом случае простейший программатор Громова может дать сбой, а вот USBasp молодцом!) тогда при прошивке они будут очень жизнерадостно мерцать:)))

На линии под ISP можно повесить и что нибудь другое, главное, чтобы при прошивке это ЧТОТО не начало ВНЕЗАПНО чудить . Например, управление стокилограммовым манипулятором висит на линии ISP и во время прошивки на него пошла куча бредовых данных - так он может свихнуться и кому нибудь бошку разнести. Думать надо, в общем. А вот с каким нибудь , который работает по шинному интерфейсу прокатит такая схема:

Переключаем выход с 0 на 1 и зажигаем то верхний то нижний диод. Если надо зажечь оба, то мы просто переводим вывод микроконтроллера в режим Hi-Z и словно нет его, а диоды будут гореть сквозным током. Либо быстро быстро переключать диоды между собой, в этом случае на глаз они будут оба гореть. Недостаток схемы очевиден - диоды нельзя погасить. Но если по задумке хотя бы один должен гореть, то почему бы и нет? UPD: Тут подумал, а ведь можно подобрать светодиоды и резисторы так, чтобы их суммарное падение напряжения было на уровне напряжения питания, а суммарные резисторы в таком случае загонят ток в такой мизер, что когда нога в Hi-Z то диоды вообще гореть не будут. По крайней мере на глаз это будет не заметно совсем. Разве что в кромешной тьме.

Следующий вариант он не дает экономию ножек, зато позволяет упростить разводку печатной платы, не таща к двум диодам еще и шину питания или земли:

А применив сходную тактику к кнопкам можно либо упростить разводку, либо по трем ножкам развести 6 кнопок.
Тут тоже все просто - одна нога дает подтяг, вторая косит под землю. Нажатие кнопки дает просадку напряжения на подтягивающей ножке. Это чует программа, поочередно опрашивающая каждую кнопку. Потом роли ножек меняются и опрашивается следующая кнопка.
В шестикнопочном режиме ситуация схожая - одна ножка дает подтяг, другая землю, а третья прикидывается ветошью Hi-Z и не отсвечивает. Но тут есть один побочный эффект. Например, опрашиваем мы кнопку “В”. Для этого у нас верхняя линия встает на вход с подтяжкой (PORTxy=1, DDRxy=0), средня дает низкий уровень на выходе (PORTxy=0, DDRxy=1), нижняя не участвует в процессе ибо стоит в Hi-Z (PORTxy=0, DDRxy=0). Если мы нажмем кнопку “В” то верхняя линия в этот момент просядет и программа поймет что нажата кнопка “В”, но если мы не будем жать “В”, а нажмем одновременно “Е” и “Б” то верхняя линия также просядет, а программа подумает что нажата “В”, хотя она там и рядом не валялась. Минусы такой схемы - возможна неправильная обработка нажатий. Так что если девайсом будут пользоваться быдло-операторы, жмущие на все подряд без разбора, то от такой схемы лучше отказаться.

Ну и, напоследок, схема показывающая как можно обьединить кнопку и светодиод:

Работает тоже исключительно в динамике. То есть все время мы отображаем состояние светодиода - то есть выдаем в порт либо 0 (диод горит) либо Hi-Z (диод не горит). А когда надо опросить кнопку, то мы временно (на считанные микросекунды) переводим вывод в режим вход с подтягом (DDRxy=0 PORTxy=1) и слушаем кнопку. Режим когда на выводе сильный высокий уровень (DDRxy=1 PORTxy=1) включать ни в коем случае нельзя, т.к. при нажатии на кнопку можно пожечь порт.
Минусы - при нажатии на кнопку зажигается светодиод как ни крути. Впрочем, это может быть не багой, а фичей:)

Вот такие пироги. А теперь представьте себе прогу в которой реализованы все эти динамические фичи + куча своего алгоритма. Выходит либо бесконечная череда опросов, либо легион всяких флагов. В таких случаях простейшая диспетчеризация или кооперативная это то что доктор прописал - каждый опрос гонишь по циклу своей задачи и не паришься. Зато юзаешь везде какую-нибудь ATTiny2313 и ехидно глядишь на тех кто в ту же задачу пихает Mega8 или что пожирней:)

Я ничего не знаю и боюсь что либо сжечь, что мне делать???
Не бояться и делать. В конце концов, микроконтроллер не такая уж дорогая вещь чтобы сокрушаться по поводу его смерти. Выкинул в помойку и достал из пакетика новый. На худой конец, если совсем уж страшно, то можно купить готовую демоплату на которой все уже спаяно и разведено как надо. Тебе останется только программировать и смотреть результат.
А потом, на примере того как сделана демоплата, попробовать сделать что то свое. Сама же демоплата представляет собой микроконтроллер + немного стартовой периферии, которой хватит на ряд несложных опытов и которая может облегчить подключение и исследование других устройств. Демоплаты есть разные, например фирменные комплексы вроде STK500 или AVR Butterfly или моя Pinboard которая была спроектированна исходя из моего опыта и на которой будет строится весь дальнейший учебный курс.

Подключение питания.

Микроконтроллер часто применяется в аппаратуре, где его напряжение пи­тания может оказаться ниже оптимального. В качестве источников питания могут использоваться батареи, выпрямители переменного тока с фильтра­ми, генераторы постоянного тока. Это означает, что микроконтроллерам при­ходится работать с разными значениями входных сигналов и взаимодейство­вать с устройствами, работающими с различными логическими уровнями. Поэтому микроконтроллеры специально проектируются для использования в таких суровых условиях, которые для многих других электронных устройств являются неприемлемыми.

К счастью, большинство микроконтроллеров нормально работают в широ­ком диапазоне внешних условий. Единственное, на что следует обратить вни­мание при разработке приложения, - это развязка питающего напряжения. Как правило, для развязки используется танталовый конденсатор емкостью 0,1мкФ, который подключается как можно ближе выводам питания. Этот кон­денсатор обеспечит повышенный выходной ток при переходных процессах, предохраняя аппаратуру отложных сбросов и искажения данных. Таким обра­зом простое включение конденсатора избавит вас от множества проблем.

При любом применении микроконтроллера важно быть уверенным, что он ра­ботает в допустимых окружающих условиях. Запуск микроконтроллера должен иметь место только тогда, когда установилось требуемое напряжение питания.

Как правило, устройства, использующие микроконтроллеры, должны на­чинать работу при включении питающего напряжения. Чтобы быть уверен­ным, что запуск микроконтроллера произойдет, когда напряжение питания дос­тигло заданного стабильного значения, используют схему, показанную на рис.2. 10.

В этой схеме сигнал RESET на входе микроконтроллера становится актив­ным (принимает значение логического 0) приблизительно через 22 мс (вре­мя задержки Td = 2,2 RC) после включения питания. Этого времени доста­точно для стабилизации напряжения питания и установки требуемой частоты тактового генератора прежде, чем начнет работать микроконтроллер.

Кнопка RESET используется в процессе разработки устройства для сбро­са микроконтроллера в начальное состояние. При отладке устройства очень полезно иметь возможность выполнения сброса, чтобы обеспечить повтор­ный запуск микроконтроллера. Резистор сопротивлением 100 Ом, который включен последовательно с конденсатором, служит для ограничения тока разряда конденсатора в момент сброса (заряженный конденсатор является источником большого тока, когда он закорачивается на «землю»). Эта схема может быть использована для запуска микроконтроллеров, у которых сигнал RESET имеет высокий активный уровень (например, микроконтроллер 8051), путем инвертирования напряжения на конденсаторе (например, с помощью микросхемы типа 7404).


Рис. 2.10 - Схема формирования сигнала запуска RESET.

Для некоторых микроконтроллеров можно удалить RC-цепь в схеме за­пуска, так как внутри них имеется схема, обеспечивающая задержку включе­ния (пуск тактового генератора и начало выполнения первой команды про­граммы). В этом случае схема запуска может быть упрошена, как показано на рис. 2.11. Посмотрев на эту схему, вы, возможно, подумаете, что схему можно еще более упростить, просто подключив вывод RESET к шине питания Vdd. Это верно, но использовать такое включение следует только после того, как схема будет полностью отлажена. Однако при этом целесообразно включить токоограничивающий резистор, чтобы иметь возможность повторного запус­ка путем закорачивания вывода RESET на «землю».

Эти схемы сброса лучше всего использовать в случаях, когда гарантирова­но поддержание напряжения питания в рабочем диапазоне. Для питания многих устройств используются батареи, напряжение которых падает с течением времени. По мере падения напряжения могут возникать нарушения в работе устройства, так как напряжение отключения для одних приборов достигается раньше, чем для других.

Для решения этой проблемы существуют устройства - мониторы пита­ния, которые следят за уровнем напряжения Vcc/Vdd. Если это напряжение падает ниже определенного уровня (обычно 4.5В), то вырабатывается сигнал RESET. Как правило, такие мониторы питания содержат схему задержки и работают аналогично описанной выше RC-схеме запуска. Они монтируются в такой же корпус, как трехвыводной транзистор.

Рис. 2.11 - Модифицированная схема RESET.